水系电解液相比于有机电解液具有高的安全性、低的成本等优点，在大规模能源存储方面具有非常大的应用前景。虽然早期开发的铅酸电池，镍金属氢化物电池，以及液流电池都有望被广泛的应用，然而，要实现更高循环稳定性的水系电池，仍然面临着众多的挑战。因此，迫切需要开发一种新型的水系电池体系，以实现大规模的能量存储。
据研究，氢气电极在电催化方面表现出的氢气氧化与还原反应 (HOR/HER)，具有低的过电位以及良好的稳定性。因此，已经报道的锰-氢气，镍-氢气，以及锂电正极-氢气电池展示出了快速的充/放电速率以及长的循环寿命。氢气电池优异的电化学性能激励着研究人员对其它优异的正极材料进行研究与探索。以往的氢气电池体系常常伴随着固态或半固态的正极反应，倍率及循环性能受到了许多限制。结合氢气负极的优势，探索新的正极材料，组装成一种高功率、长寿命的新型氢气电池体系。
1. 基于本课题组之前的研究基础，总结了近年来相关的研究工作，选择了适合氢气电池的液态正极，其电化学反应优于固态或半固态的正极反应。2. 液态正极的反应，往往伴随着活性材料的穿梭效应，在电池组装过程中也应被很好的解决。鉴于此，中国科学技术大学陈维教授团队通过采用低成本的[Fe(CN)6]3–/[Fe(CN)6]4–氧化还原电对作为液态正极，与氢气负极进行匹配，在碱性的水系溶液中组装成了一种全新的水系铁-氢气 (Fe-H2) 电池体系。设计的Fe-H2电池具有1.29 V高的放电平台、93%的能量效率，并且在60 mA的大电流下，能量效率仍然高达73%，以及超过20000次的循环寿命。
▲图1. 水系Fe-H2电池的工作原理: (a) 充电过程; (b) 放电过程。
Fe-H2电池的负极采用Pt/C催化剂在气体扩散层上进行催化HOR/HER的氧化还原反应，正极的[Fe(CN)6]3–/[Fe(CN)6]4–液态转化发生在碳布上。中间选择钾离子通道的Nafion膜，防止液态正极的穿梭效应。▲图2. 水系Fe-H2电池在使用玻璃纤维隔膜时的电化学性能: (a) CV; (b-c) 倍率性能; (d) 循环性能。
要点2: 水系Fe-H2电池在使用玻璃纤维隔膜时的电化学性能当使用传统的玻璃纤维隔膜时，Fe-H2电池的液态正极材料表现出了一定的穿梭效应，降低了整个电池的库伦效率。然而，Fe-H2电池由于优异的液态正极反应，依然在倍率及循环稳定性方面展示出优异的特性。▲图3. 水系Fe-H2电池在使用Nafion膜时的电化学性能: (a) 充放电曲线; (b) 不同扫速CV; (c) 峰电流与扫速的关系; (d-e) 倍率性能; (f) 极化曲线。
要点3: 水系Fe-H2电池在使用Nafion膜时的电化学性能为了解决正极离子之间的穿梭效应，离子选择性Nafion膜被选择作为水系Fe-H2电池的隔膜，该膜的使用很大程度上增加了电池的库伦效率。Fe-H2电池展示出优异的倍率性能，在10 mA的电流下，提供了1.29 V的高放电电压平台。由于电池极化作用，放电平台随电流的增大而减小，但在60 mA高的电流下仍保持1.1 V的电压平台与57%的容量保留。另外，该电池在10 mA的低电流下，能量效率可高达93%，在60 mA的高电流下，能量效率也超过了73%。▲图4. 水系Fe-H2电池在使用Nafion膜时的循环性能。
要点4: 水系Fe-H2电池在使用Nafion膜时的循环性能水系Fe-H2电池表现出了高的循环稳定性。当充电容量为0.4 mAh时，循环200次，能量效率仍高达81%，库伦效率一直保持在99%以上。当充电容量为0.3 mAh时，经过20000次循环，放电容量几乎没有衰减。本文报道了一种新型的水系Fe-H2电池体系，展示了优异的倍率性能及循环稳定性，为拓展氢气电池体系提供了一定的参考价值，同时为今后设计更多的液态-氢气电池提供了方向。此外，基于液态氧化还原分子和氢气电化学体系的诸多优势，水系Fe-H2电池有望在未来的大规模储能方面得到相关的应用。
A high performance aqueous iron-hydrogen gas battery, Mater. Today Energy, 10.1016/j.mtener.2020.100603，
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606920302227陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，国家级人才项目计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位，导师为Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2019年7月入职中国科学技术大学。
陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果。以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等国际期刊发表论文20余篇，参与发表SCI科研论文50余篇，论文总被引6000余次，H因子37。http://staff.ustc.edu.cn/~weichen11. Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang, Guangxu Chen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435.2. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U. S. A. 2018, 115 (46), 11694-11699.3. Guodong Li#, Wei Chen#, Hao Zhang#, Yongji Gong, Feifei Shi, Jiangyan Wang, Rufan Zhang, Guangxu Chen, Yang Jin, Tong Wu, Zhiyong Tang, Yi Cui*, Membrane-Free Zn/MnO2 Flow Battery for Large-Scale Energy Storage, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902085.4. Zhengxin Zhu, Mingming Wang, Yahan Meng, Zihan Lin, Yi Cui*, Wei Chen*, A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery, Nano Letters, 2020, 20, 5, 3278-3283.5. Zhengxin Zhu, Xiang Zhang, Mingming Wang, Wei Chen*, Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries, Chemical Journal of Chinese Universities, 2021, 42, 2, 1-9.
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